控制力矩陀螺磁轴承-框架动力学耦合特性仿真研究

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1、第20卷第1期载人航天V01．20No．12014年1月MannedSpacenightJan．2014工程技术控制力矩陀螺磁轴承一框架动力学耦合特性仿真研究张立，刘昆(国防科学技术大学航天科学与工程学院空间技术研究所，长沙410073)摘要：框架角速率精度决定着控制力矩陀螺输出的姿态控制力矩精度，前者的精度由框架伺服电机力矩精度和框架转动惯量决定。磁悬浮控制力矩陀螺框架转动和陀螺转子的微小扭摆运动间存在动力学耦合，其框架表现出比标称值大的等效转动惯量。在柔性结构框架动力学模型和磁轴承刚度一阻尼模型基础上，研究磁轴承一框架动力学特性，推导出框架等效转动惯量和磁轴承控制参

2、数之间的关系式，表明调整磁轴承控制参数能增大框架等效转动惯量，提高框架角速率精度。根据闭环系统稳定性和轴承承载力，确定了磁轴承控制参数取值范围，并给出了框架等效转动惯量的调节范围。通过对某小型磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率控制系统的simulink仿真，证明了控制力矩精度可以提高5倍，验证了模型的准确性。关键词：控制力矩陀螺；磁轴承；动力学耦合；指向精度中图分类号：v448．25文献标识码：A文章编号：1674-5825(2014)0l旬069—05SimulationStudyonDynamicCouplingCharacteristicsbetweentheGimba

3、lsandMagneticBearingsofCMGZHANGLi．LIUKun(InstituteofSpaceTechnology，CoUegeofAemspaceScienceandEn百neering，NationaluniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)Abstract：Theaccuracyof舀mbal—ratedeterminestheprecisionoftheoutputattitudecontr01torqueofacontrolmomentgyroscope(CMG)．Theform

4、erisdeteminedbythetorqueprecisionofthegim-balservomotortogetherwiththemomentofinertiaofthegimbals．Becauseofthedynamiccouplingbetweenthegimbalrotationandthemtorradialrotationofthemagneticbearing，magneticallysus-pendedCMGdemonstrateslargerapparentgimbalineniathanitsmechanicalinertia，thusac

5、hievehighergimbalrateaccuracyandhighpointingprecision．Basedonthegimbalcontrol—loopdynamicswithcompliantstmcturesandthestifhess-dampingmodelofthemagneticbearing(MB)control·loop，thegimbal—MBcoupIingmodelwasbuiIt．TherelationshipbetweentheequivalentgimbaIine卜tiaandtheMB’scontrolpammetersandt

6、headjustablerangeofthegimbalinertiawaspresented．SimulationresultsonasmaUMSCMGgimbalcontrol—loopshowedthattherelationshippresentedwasaccurateandtheoutputtorqueprecisioncouldbeimprovedby5times．Keywords：contr01momentgymscope；magneticbearing；dynamiccoupIing；pointingaccuracy1引言2003年美国提出“太空快速响

7、应计划”后，有效载荷的快速发射、机动、服务和回收受到前所未有的重视，小卫星技术成为研究热点[1。3I。近年来，高精度空间监测、卫星监视等越来越多的航天任务需要具有高姿态机动能力和高指向精度的小卫星。国际上把姿态机动角速率范围是l一收稿日期：2叭3旬8旬8；修回日期：2叭3-12_29基金项目：国家自然科学基金(61304036)作者简介：张立(1986-)，男，博士，讲师，研究方向为磁轴承控制技术、嵌人式控制系统设计实现与仿真。E—mail：zhangkaiyue2004@aliyun．com70载人航天第20卷lO。／s的小卫星称作敏捷